?        力和能量

    在我們的生活中，無處不在地會遇到兩個概念，即力和能量。它們看不見，摸不著，卻是處處存在。

    什么是力？

    簡單地說，力是物體間的相互作用。如肌肉的收縮力，彈簧的彈力，地球的吸引力，磁場的引力和斥力，電荷之間的引力和斥力，發(fā)動機的動力，電動機的動力，火箭發(fā)動機的動力，爆炸產(chǎn)生的沖擊力等等。有作用力就有反作用力，它們大小相等，方向相反，作用在一條直線上。例如，我們把一個物體從a點拉到b點，把彈簧拉長了30厘米，都是物體間的相互作用。物理學(xué)中是這樣描述力的：“力是物理學(xué)中的基本概念之一，是使物體改變運動狀態(tài)或形變的根本原因?！?/span>

力對物體的作用效果有兩種情形：一是改變物體的運動狀態(tài)，二是使物體發(fā)生形變。力的作用效應(yīng)由力的大小、方向和作用點的位置所決定，這三個因素稱為力的三要素。力是一個有大小和方向的矢量，在國際單位制中，力的單位用N（牛頓，簡稱牛）或kN（千牛）表示。航空發(fā)動機的推力也常用多少噸來表示。

    功的定義

    物體在力的作用下，在力的方向上移動的距離與力的乘積叫做這個力做的功?！霸诹Φ姆较蛏稀笔钦f，當(dāng)力的方向與物體位移的方向不一致時，應(yīng)以這個力在物體移動方向上的分力來計算或物體移動的距離分解到力的方向上的距離來計算。例如一個人用一根繩子拖動一塊石頭，繩子與地面的夾角是60度，力是100牛，物體在地面移動的距離是5米，則所做的功是：100牛×cos60°×5米=100×0.5×5=250焦耳。

功的單位是焦耳：焦耳=?！撩?。

功率的單位是瓦，瓦=焦耳/秒。

    能量，簡單地說，就是物體做功的本領(lǐng)。

    能量可以表現(xiàn)為各種形式，例如機械能（動能、勢能）、熱能、光能、電能、化學(xué)能、核能（包括核裂變，如原子彈爆炸和核聚變?nèi)鐨鋸棻ǎ┑?，還有人類還不了解的暗能量。能量是可以互相轉(zhuǎn)化的。

    能量守恒定律：能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，它既不能創(chuàng)生，又不能消滅。

   牛頓第二定律：f=ma.

f（牛頓）=m（千克）a（米/秒^2）

1千克的物質(zhì)，在重力的作用下，做自由落體運動，重力加速度是9.8米/秒^2，代入公式，那么它受到的作用力是9.8牛頓。這樣，1千克的物質(zhì)受的重力（也就是地球?qū)@一千克的物質(zhì)的吸引力，作用力）就是9.8牛頓。我們?nèi)粘Ｉ钪?，說買了100斤東西，說的是質(zhì)量，又說這東西有100斤重，說的是重量。這樣，1千克重就等于9.8牛頓。若這1千克的物體，在重力的作用下，在空中降落了10米，那么重力做的功就是9.8?！?0米=98焦耳。若是10千克，那受的力就是9.8×10=98牛，做的功就是980焦耳。

    功率單位中，有個古老的單位，叫做馬力。意思就是一匹馬的力量?，F(xiàn)在許多發(fā)動機仍用馬力做功率的單位。

準(zhǔn)確的定義是：

1馬力=75千克重米/秒。也就是說，每秒鐘用75千克重的力，拉動物體在力的方向上，移動了1米，這個功率叫1馬力?；蛘哒f，拉動物體的力（千克重）與物體在該力方向上1秒鐘移動的距離（米）的乘積等于75，這個力做功的功率是1馬力。這樣，1馬力=75千克重米/秒=9.8?！?5×米/秒=735焦耳/秒=735瓦=0.735千瓦。這個數(shù)要記住，便于千瓦與馬力之間的換算。

    在電場中，電場力把1庫倫的電量從A點推到B點所做的功是1焦耳時 ，把A、B 兩點之間的電壓叫做1伏，記作Uab=1伏。每秒通過導(dǎo)體截面的電量為1庫倫時，叫做1安培，簡稱1安。1安=1庫倫/秒。

所以，1焦耳=1伏×1庫倫，1瓦=1焦耳/秒=1伏×1庫倫/秒=1伏×1安。這樣就得出，電功率等于電壓與電流的乘積。直流電是這樣 交流電也是這樣。因為我們說的交流電的電壓、電流值都是有效值，即把交流電等效為直流電的數(shù)值。

    電壓用U 表示，電流用I表示，功用W表示，功率用P表示，焦耳用J表示。

功率：P=伏安=UI.

    熱量單位是卡，在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1克水溫度升高1℃需要的熱量是4.184焦耳，反過來，1焦耳等于0.239卡。通常說等于0.24卡。如果有1千克的水，從25℃用電加熱到100℃，需要的熱量是4.184卡×1000×（100-25）=313800焦耳，若用1千瓦的電熱管加熱，需要幾分鐘？313800焦耳/（1000×60）焦耳=5.23分鐘。蒸汽機就是把煤炭含有的化學(xué)能，通過燃燒，轉(zhuǎn)換成熱能，熱能使水溫升高，變成蒸汽，蒸汽的壓力推動氣缸里的活塞運動，變成機械能，這個機械能可以拉動火車前進，也可以帶動發(fā)電機發(fā)電，把機械能轉(zhuǎn)換為電能。電能可以使電動機轉(zhuǎn)動變?yōu)闄C械能，再帶動其它機械運動做功。電能可以對電瓶充電變?yōu)榛瘜W(xué)能，電瓶放電又把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電可以使電阻發(fā)熱，轉(zhuǎn)化為熱能，還可以使燈具發(fā)出光，轉(zhuǎn)化為光能，光能又可以通過光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電能，如太陽能光伏電池板。在能量轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)換效率很難達到百分之百，損失的能量，多以熱量的形式散發(fā)出去，也有以電磁波、光等形式損失掉。

    我們看到航母可以通過電磁彈射把飛機彈射出去，就是把電能轉(zhuǎn)換為電磁能，又轉(zhuǎn)換為機械能，電磁炮也是同樣道理。激光武器、微波武器是把電能轉(zhuǎn)換為激光或微波。

    能是一切動力的來源。太陽光照射地球，植物的葉綠素通過光合作用，把光能轉(zhuǎn)化為植物的化學(xué)能，人和動物食用植物，把植物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為自己生長運動的能量。食物標(biāo)簽上的卡路里通常是指食物在體外完全燃燒時產(chǎn)生的熱量，這個數(shù)值是通過實驗測定的，稱為“熱化學(xué)卡路里”。這個數(shù)值是基于食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的含量計算出來的，因為這些營養(yǎng)素在體外燃燒時會釋放出特定的能量。當(dāng)然，標(biāo)簽上的卡路里數(shù)，并不能被身體完全吸收。吸收的能量，如果消耗不完，就會以脂肪的形式儲存起來，以備需要時再燃燒這些脂肪，變?yōu)樯眢w所需的能量。植物直接燃燒，也是我們獲取能量的一個重要來源，如用來取暖、燒水、燒烤、燃燒發(fā)電等。

    據(jù)說，太陽的壽命是100億年，現(xiàn)在已經(jīng)50億歲了，還有50億年的壽命。太陽照射到地球上的能量，百分之五就足夠人類使用了，只要太陽不滅亡，太陽率領(lǐng)下的地球就不缺能量。但目前利用率很低，不能滿足人類的需求。如何高效轉(zhuǎn)換為人類可利用的能源，靠今后人類的科研攻關(guān)了。

    目前使用的能源主要是煤炭、石油、天然氣，通過燃燒，轉(zhuǎn)換為熱能，或再轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。這些石化能源是有限的，總有一天會用完，怎么辦呢？目前能想到的，一是利用太陽能，如光伏發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)電、海浪發(fā)電，水電風(fēng)電也都是由太陽能轉(zhuǎn)化來的。包括植物的能量，也是太陽能轉(zhuǎn)化來的。如何進一步開發(fā)利用太陽能，是今后的一個大課題。二是核電，就是現(xiàn)在使用的核電站，它是通過原子的核裂變釋放的能量，和原子彈爆炸產(chǎn)生熱量的原理是一樣的，只是他它的反應(yīng)是可控的，把核裂變釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電能，缺點是有核輻射，在解決安全問題上，要大量投入。三是核聚變發(fā)電，就是常說的人造小太陽。是通過原子的核聚變（太陽發(fā)出的光和熱就是其內(nèi)部的核聚變產(chǎn)生的，氫彈就是通過核聚變釋放出大量能量，產(chǎn)生巨大的爆炸威力的。）釋放出來的能量再轉(zhuǎn)化為電能。優(yōu)點是原料充足價廉，沒有核輻射，缺點是這個核聚變反應(yīng)難以控制，目前全世界都在攻關(guān)，我國合肥“人造太陽”，已經(jīng)達到7000萬℃運行17.6分鐘，處于世界前列。但距真正能商業(yè)發(fā)電那一天，還很遙遠，有專家預(yù)測，隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和人工智能的突破，可控核聚變有望在10～20年內(nèi)獲得能量。如果可控核聚變發(fā)電商業(yè)化了，就解決了人類能源的大問題。它無核輻射，原料充足，發(fā)電成本大概一度電幾分錢。1度電就是1千瓦時，1度=1kwh，k代表千，w代表瓦，h代表小時。千瓦時也是功的單位。1度=1千瓦×1小時，例如，1千瓦的燈泡，在標(biāo)準(zhǔn)電壓下，1小時做的功，就是1kwh?；蛘哒f，消耗的電量是1度。

    能源，是人類需求的頭等大事。沒有能源，一切將會停滯。